Zastosowania elektroniki molekularnej

Transkrypt

1 Zastosowania elektroniki molekularnej Wykład 15h zakończony egzaminem pisemnym dr Małgorzata Franz pok. 109C GG Konsultacje: wtorek 13-14

2 Zastosowania elektroniki molekularnej plan wykładu W1. Wprowadzenie W2. Własności elektryczne i magnetyczne cząsteczek W3. Oddziaływanie międzycząsteczkowe W4. Kryształy i struktury molekularne W5. Metody wytwarzania cienkich warstw W6. Procesy generacji i rekombinacji nośników nadmiarowych W7. Iniekcja nośników ładunku W8. Mechanizmy transportu w materiałach molekularnych W9. Podstawy działania OLED W10. Podstawy działania OSC W11. Organiczny tranzystor polowy W12. Detekcja materiałów przy użyciu organicznych tranzystorów polowych W13. Wybrane elementy elektroniki molekularnej oparte na pojedynczych molekułach W14. Podsumowanie, perspektywy rozwoju elektroniki molekularnej

3 Zastosowania elektroniki molekularnej literatura LITERATURA UZUPŁNIAJĄCA A. Köhler i H. Bässler Electronic Processes in Organic Semiconductors Willey-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Weinheim Germany 2015 S. M. Sze Semiconductor Devices, Physics and Technology John Wiley & Sons Singapore 1985 P. Atkins i J. de Paula Chemia Fizyczna PWN Warszawa 2016

4 Zastosowania elektroniki molekularnej warunki zaliczenia Zaliczenie wykładu (w formie pisemnej) będzie składało się z 5 pytań obejmujących zagadnienia z wykładu. Warunkiem uzyskania pozytywnej oceny jest uzyskanie 50% punktów. Do zaliczenia wykładu mogą przystąpić studenci, którzy uzyskali pozytywne oceny z ćwiczeń i laboratorium. ZALICZENIE ĆWICZEŃ W semestrze odbędą się dwa 45 minutowe kolokwia, każde składające się maksymalnie z 3 zagadnień, za które będzie można uzyskać max. 60 pkt (= 2 x 30 pkt). Aktywność, premiowana punktami dodatkowymi max. 10 pkt. Ocena końcowa z ćwiczeń ustalana będzie na podstawie algebraicznej sumy punktów uzyskanych w trakcie semestru, zgodnie z punktacją przedstawioną w tabeli: ilość punktów < ocena OCENA KOŃCOWA Z PRZEDMIOTU Ocena końcowa, wpisywana do moja.pg, będzie obliczana na podstawie wzoru: OCENA = 0,5 x ocena z zaliczenia wykładu + 0,3 x ocena z ćwiczeń + 0,2 x ocena z laboratorium

5 Wykład 1 Wprowadzenie elektronika molekularna, miniaturyzacja urządzeń elektronicznych, materiały nieorganiczne i organiczne w elektronice, polimery przewodzące, OLED, OPV, OFET

6 W1. Czym jest elektronika molekularna? FIZYKA MOLEKULARNA konwencjonalne urządzenia elektroniczne MIKROELEKTRONIKA KRZEMOWA nowatorskie urządzenia elektroniczne ELEKTRONIKA MOLEKULARNA CHEMIA ORGANICZNA INŻYNIERIA MATERIAŁOWA FIZYKA CIAŁA STAŁEGO ELEKTRONIKA MOLEKULARNA obejmuje wszystkie zjawiska i procesy, w których molekularne materiały organiczne grają aktywną rolę w przetwarzaniu, transmisji i przechowywaniu informacji. H. Haken, H. C. Wolf, Fizyka molekularna z elementami chemii kwantowej, PWN, Warszawa ELEKTRONIKA MOLEKULARNA zastosowanie pojedynczych molekuł lub układów molekularnych do budowy elementów elektronicznych. J. Godlewski, Wstęp do elektroniki molekularnej, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2008.

7 W1. Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako przełączniki - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako przewodniki i nadprzewodniki - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako elementy logiczne - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako urządzenia pamięci

8 W1. Dlaczego elektronika molekularna? Elektronika molekularna Elektronika konwencjonalna Elastyczna Lekka Tanie technologie Minimalne rozmiary urządzeń Szeroka gama materiałów Kompatybilność ze strukturami biologicznymi Przyjazna środowisku Sztywna Ciężka Drogie (ale dopracowane) technologie Ograniczone rozmiary urządzeń Ograniczona ilość materiałów Niekompatybilność ze strukturami biologicznymi Nieprzyjazna środowisku Elementy elektroniczne konwencjonalnej elektroniki charakteryzuje min.: duża szybkość działania, dobra odporność temperaturowa i mechaniczna, niskie szumy.

9 W1. Klasyczne półprzewodniki nieorganiczne a półprzewodniki organiczne KRZEM (Si) GERMAN (Ge) ARSENEK GALU (GaAs) - Niska wartość przerwy energetycznej: 1,1 ev (Si), 0,67 ev (Ge), 1,4 ev (GaAs) - Wysoka wartość przerwy energetycznej (> 2eV): np. 3,1 ev (Tc) - Typowe wartości przewodnictwa elektrycznego: cm -1 - Duże wartości względnych stałych dielektrycznych r 11 - Małe wartości względnych stałych dielektrycznych r 3,5 - Możliwość generacji swobodnych nośników ładunku w wyniku wzbudzenia termicznego bądź optycznego N = N eff exp(-eg/2kt) N koncentracja nośników ładunku (elektrony bądź dziury) N eff fektywna gęstośc stanów - Ładunki są głównie wstrzykiwane z elektrod (INIEKCJA) bądź w wyniku dysocjacji EKSCYTONÓW (związana para e-h) generowanych w wyniku optycznego wzbudzenia

10 W1.Materiały organiczne CHEMIA ORGANICZNA = CHEMIA ZWIĄZKÓW WĘGLA Obecnie liczba zbadanych związków węgla przekracza 25 milionów. Liczba opisanych związkó nieorganicznych to zaledwie pół miliona. ZWIĄZKI ORGANICZNE mała odporność termiczna palność niskie temperatury topnienia i wrzenia znaczna liczba atomów tworzących cząsteczkę W skład większości związków organicznych wchodzi tylko kilka pierwiastków: C, H, O, rzadziej N i bardzo rzadko fluorowce, siarka, fosfor lub inne niemetale. Przyczyną istnienia bardzo dużej liczby związków organicznych jest zdolność atomów węgla do tworzenia trwałych wiązań między sobą ZJAWISKO KATENACJI Atomy węgla wykazują zdolność do tworzenia WIĄZAŃ WIELOKROTNYCH. C C C C UWAGA : WIĄZANIA WIELOKROTNE są nietrwałe i w wyniku reakcji addycji zmieniają się w wiązania pojedyncze.

11 W1. Związki organiczne WĘGLOWODORY związki zbudowane z C i H. Mogą różnić się kolejnością powiązania atomów i / lub odmiennym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. ZWIĄZKI JEDNOFUNKCYJNE związki zawierające jedną lub większą liczbę jednakowych grup funkcyjnych. ZWIĄZKI WIELOFUNKCYJNE związki, których cząsteczki zawierają różne grupy funkcyjne.

12 W1. Organiczne półprzewodniki MAŁE CZĄSTECZKI POLIMERY

13 W1. Struktury materiałów organicznych - Kryształy molekularne - Warstwy polimerów - Warstwy molekularne (amorficzne)

14 W1. Wybrane metody wytwarzania cienkich warstw spin coating BASF, produkcja OSC dip coating roll to roll

15 W1. Wybrane metody wytwarzania cienkich warstw Ink-jet printing DuPont

16 W1. Wybrane metody wytwarzania cienkich warstw This is the cover illustration of Advanced Materials ( /adma ). Credit: Artwork: Christoph Hohmann / Nanosystems Initiative Munich Read more at:

17 W1. Podstawowe elementy elektroniczne Organic Light Emitting Diodes OLEDs Organic Field Effect Transistors OFETs Organic Photovoltaic (OPV) Organic Solar Cells tsgebiete/organische_elektr onik/index.en.html Film Substrate with Test Transistors and a Printable Semiconductor Solution

18 W1. Organiczne diody elektroluminescencyjne Organic Light Emitting Diode, OLED - urządzenie służące do bezpośredniej zamiany energii elektrycznej na energię świetlną. Thien-Phap Nguyen : Polymer-based nanocomposites for organic optoelectronic devices. A review

19 W1. Organiczne diody elektroluminescencyjne O kolorze emitowanego światła decyduje przerwa LUMO-HOMO light-emitting polymers (LEPs) or, sometimes, polymer LEDs (PLEDs)

20 W1. Organiczne diody elektroluminescencyjne The unnamed concept Windows Phone 8 device from Samsung which employs a fully flexible AMOLED display. v=hgvmfe85i30 Arizona State University and HP's flexible display demonstrated in 2008 at the university's Flexible Display Center Sharp still hopes to form a Japanese OLED alliance with Japan Display v2iqzrcvzg LG came up with a perfect OLED design that only has two layers, making their digital signage display unbelievably light-weight and incredibly thin; 4.5 mm at its thinnest point. OLED TVs the best kind of TVs you can buy today

21 W1. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne Organic Solar Cell, OSC - urządzenia służące do bezpośredniej zamiany energii słonecznej na energię elektryczną. Nie tylko polimery C 60 P3HT

22 W1. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne

23 W1. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne Konarka s Power Plastic Heliatek GmbH (6%, ogniwo na bazie materiałów małocząsteczkowych) Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (25 cm 2, 2,5%)

24 W1. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne Pocket-sized HeLi-on charger uses flexible, printed solar cells to power your phone Transparent organic solar cells offer an attractive alternative for architects Organic solar cells that seem completely transparent - the project of the Institute for Science photovoltaic ICFO offers an innovative solution for urban use.

25 W1. Budowa i zasada działania OFET Zewnętrzny potencjał elektryczny przykładany jest do elektrody bramkującej (V G ) oraz elektrody zbiorczej (V D ), a elektroda źródła pozostaje uziemiona (V S = 0). U GS - napięcie bramki - różnica potencjałów pomiędzy elektrodą bramkującą, a źródłem U DS - napięcie drenu różnica potencjałów pomiędzy elektrodą zbiorczą, a źródłem ZASADA DZIAŁANIA OFET: Napięcie przyłożone do bramki (U GS ) moduluje prąd płynący przez warstwę półprzewodnika organicznego (I SD ).

26 W1. Wybrane zastosowania czujników OFET E-SKIN ELEKTRONICZNA SKÓRA

27 W1. Wybrane zastosowania czujników OFET E-NOSE ELEKTRONICZNY NOS